第一章 循环流化床燃烧技术发展概况.docx
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第一章循环流化床燃烧技术发展概况
第一章循环流化床燃烧技术发展概况
20世纪中期,工业的迅速发展,包括大量燃煤锅炉在内的工业过程产生了严重的污染问题,迫切要求发展洁净煤技术,包括煤的清洁燃烧技术。
在60年代末至70年代初期,流化床煤燃烧技术应运而生。
第一节循环流化床燃烧技术的发展背景
我国是世界上最大的发展中国家,煤在我国一次能源构成中占据着绝对主要
的地位。
煤在燃烧过程中将产生大量的灰渣、粉尘、废水、SO2、NO
x
等废弃物,
如不妥善处理,将会严重破坏生态环境甚至是永久性的,进而危害人类自身的生存和发展。
改革开放二十年来,我国经济高速发展,能源工业前进的步伐更快些。
但在人民生活水平日益提高的同时,环境污染亦达到了惊人的程度,生态环境严重恶化。
我国的SO
2
排放量居世界第一,酸雨区域已经蔓延到40%的国土面积,多数大城市的空气总悬浮颗粒浓度超过世界卫生组织标准的十几倍甚至几十倍。
目前,环境保护在我国开始广受关注,可持续发展是我们的基本国策,既然我们别无选择,必须在保护环境、改善环境的条件下让煤继续为中国的发展提供动力,那么唯一的出路就是依靠科学和技术,实现煤利用的高效和清洁。
目前,国际上已投入使用或已基本成熟的高效清洁燃煤发电技术主要有四种:
整体煤气化联合
循环（IGCC、增压流
化床燃烧联合循环
（PFBC、常压循环流
化床燃烧（CFBC和超
临界煤粉炉蒸汽循环
加烟气脱硫
（SCPC-FGD。
从技术
完备性和经济适用性
角度来看,IGCC和PFBC近期都不可能在我国投入大规模工业应用;SCPC-FGD在技术上最为成熟,国际上应用最广,但由于我国新材料开发存在困难及FGD等净化技术成本过高在我国作商业性推广面临一些现实的困难;相比之下,循环流化床燃烧技术基本成熟,制造和运行成本都比较低,在保证高效燃烧的基础上能显著降低废弃物排放,可以满足目前世界上最严格的环保标准。
表给出了各技术的投资、运行费用、技术现状的比较。
从初投资、运行成本、技术的可靠性及
系统的复杂程度综合来看,循环流化床炉内脱硫是一个良好的选择。
应用于发电领域的常压循环流化床燃烧技术始于七十年代末,作为一项高效、低成本的清洁燃烧技术,它具有以下优点:
（1燃料适应性强且燃烧效率高,不仅可以燃用烟煤等优质煤,而且可燃用各种劣质燃料如褐煤、贫煤、洗中煤、泥煤、矸石、石油焦、油页岩、废木屑甚至工业废弃物和城市垃圾等;
（2负荷调节范围大,在30%额定负荷下仍能稳定燃烧,无需燃油支持;
（3负荷调节方便快捷,负荷连续变化速率可达7~12%/min;
（4低温燃烧,因此NO
X
排放量远低于煤粉炉,仅为200左右;同时可用石灰石作脱硫添加剂低成本实现炉内脱硫;
（5灰渣便于综合利用。
我国于八十年代中期开始投入力量积极从事循环流化床燃烧技术的研究开发,虽然起步较晚,但进步很快。
目前,国产蒸发量420t/h及以下级的小型循环流化床锅炉已在国内作大面积工业推广,实现了商品化,更大容量的循环流化床锅炉设计正在积极酝酿和筹划中。
第二节循环流化床燃烧技术的特点
流化床煤燃烧技术在较短的时间内能得到迅速的发展和应用,是因为它具有一些常规燃煤技术所不具备的特点。
表1-2为层燃、煤粉燃烧和流化床燃烧三种燃烧方式燃烧特性的比较,从中可以看出,流化床燃烧有别于其他两种燃烧方式的最突出的特点是:
低温燃烧,长的停留时间,以及强烈的湍流混合,这些特点给流化床燃烧带来一系列优点。
表1-2不同煤燃烧方式的燃烧特性比较
（一低温燃烧
流化床燃烧和层燃及煤粉燃烧很不相同,任何时候其炉内都需有大量的惰性物料（灰,石灰石或沙子等的储备,这些惰性物料占全部炉内固体物料的97~98%,即任何时候炉内固体可燃物的份额不超过全部床料的2~3%,因此,即使在燃烧温度仅为800~900℃的情况,在有足够的氧的条件下,任何固体燃料都能被燃尽,特别再加上燃料在炉内很长的停留时间及床内强烈的湍流混合,这些足以保证在800~900℃的低温条件下流化床锅炉能稳定和高效地燃烧任何燃料。
（二极好的燃料适应性
由于流化床锅炉具有上述能在800~900℃的低温下稳定和高效地燃烧任何燃料的特点,因此它具有极好的燃料适应性,几乎可以燃烧任何燃料,并保证燃烧过程的稳定和很高的燃烧效率。
至今,已成功地在流化床锅炉上燃烧过的燃料包括一切种类的煤,其中有高灰分高水分得褐煤,低挥发分的无烟煤,各种煤的煤矸石,洗杆,洗煤泥浆,石煤,各种石油焦,油页岩,泥煤,城市垃圾,油污泥,农林业生物质废料,如树皮,木屑,稻壳,甘蔗渣,废轮胎等。
它也可用于燃烧各种液体和气体燃料,各种燃料既可以单独燃烧也可以混烧,这是任何其他燃烧方式不能与之相比的。
（三低的污染物排放
流化床锅炉低温燃烧的特点,有效地抑制了热力型NO
x
的生成,而通过采用
分级燃烧又可控制燃料型NOx的排放,因而,流化床锅炉NO
x
的生成量仅为煤粉
炉的1/3~1/4,可以将循环床的NO
x
排放值控制在100~200ppm。
此外,如果在燃烧过程中直接向炉内加入石灰石或白云石,由于800~900℃的燃烧温度正是石灰
（CaO和二氧化硫（SO
2
反应的最佳脱硫温度,因此,根据煤中的含硫量投入流化床锅炉炉膛内适量的石灰石,就可以达到90%以上的脱硫效率。
所以,流花床是一种最经济有效的低污染煤燃烧技术,这也是它在全世界受到重视,得到很快发展的最根本原因。
（四燃烧强度大
由于流化床燃烧过程中强烈的湍流混合,大大地提高了其燃烧强度,从而提高了单位床面积的出力,减小了炉膛的截面积和体积。
一般情况下,循环床的炉膛截面热负荷为3~8MW/m2。
（五负荷调节性能好
由于炉内大量热床料的储备,使流化床锅炉具有良好的负荷调节性能,负荷调节幅度大,其负荷调节范围可从100%到20%,在低负荷时也能保持稳定燃烧。
（六易于操作和维护
由于燃烧温度低,灰渣不会软化和黏结,因而不存在炉内结渣的问题,炉膛内不需布置吹灰器。
较低的炉膛温度使炉内受热面热流率较低,减少了爆管的机会。
燃烧的腐蚀作用也较层燃炉和煤粉炉的小。
这些都使得流化床锅炉易于操作和维修。
至于流化床锅炉易产生的磨损问题,已在易磨部位采取了诸如防磨耐火材料涂层等一系列防磨措施后得到了解决。
（七灰渣便于综合利用
低温燃烧所产生的灰渣具有较好的活性,而且其飞灰和底灰的含碳量低,通常低于4~5%,可以用作制造水泥的掺合料或其他建筑材料的原料,有利于灰渣的综合利用。
但是,循环流化床燃烧技术本身还存在以下的缺点:
由于循环流化床锅炉炉膛内的传热系数与沿炉膛高度的气固浓度比密切相关,炉膛上部稀相段的传热系数小于炉膛下部浓相区的,再加上烟气流速高,床截面积小,因而必须增加炉膛高度,否则炉膛四周的炉墙面积不足以布置必要的受热面,从而增加了锅炉的初投资。
循环床的气固分离和床料循环系统比较复杂,如旋风分离器尺寸庞大,造价较高,布风板及系统的阻力增加,锅炉自身电耗量大,约为机组发电量的7%左右,导致运行费用增加。
由于床内流速相对较高,固体颗粒浓度大,为控制NO
x
排放而采用分级燃烧时炉膛内存在还原性气氛区域等这些因素,受热面与吊挂管处的磨损与腐蚀问题仍要十分重视。
第三节循环流化床锅炉的基本结构
图1-1所示,为一燃煤循环流化床锅炉系统的流程图。
部分床料被烟气带出炉膛进入旋风分离器,在分离器中绝大部分固体颗粒被分离出来,通过返料器被送回炉膛下部,构成了床料的再循环回路。
烟气则带着分离器不能分离的细颗粒飞灰进入尾部烟道,将热量传给尾部受热面后经过除尘器由烟囱排入大气。
循环流化床锅炉的一次风要克服布风板和床层的阻力,因此须和二次风系统分开,并采用高压的一次风机。
为了减少漏风,一般循环流化床锅炉采用管式空气预热器,循环流化床锅炉可分为两部分:
第一部分为物料循环回路,主要设备有:
炉膛（快速流化床、高温旋风分离器、回料器等。
燃料的燃烧主要在炉膛中完成,通常布置有水冷壁、屏式过热器。
第二部分为对流烟道。
与煤粉炉相近,对流烟道中布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器,烟气的余热在对流烟道中被吸收。
循环流化床锅炉与煤粉炉之间有许多共同之处,例如,对于自然循环锅炉,其炉膛的膜式水冷壁结构,自然循环系统,炉膛的顶部支撑,汽包及汽包内件,尾部烟道的布置和设计,以及辅机中的二次风机和引风机,吹灰器,管道,阀门和仪表等。
循环流化床锅炉的燃烧和传热过程和煤粉炉完全不同,其固体床料的循环系统是常规燃煤锅炉完全没有的,在结构上与常规燃煤锅炉不同的主要在以下的部件和系统:
启动燃烧器;风箱和布风板;炉底灰排灰系统;给料系统;分离器;防磨耐火材料系统;炉膛;固体床料再循环回路上的换热器等。
第四节循环流化床燃烧技术的应用发展
七十年代,德国鲁奇（Lurgi公司第一个申请了循环流化床的专利权,并很快获得了应用。
第一台较大容量的循环流化床锅炉于1985年9月1日在德国杜易斯促进第一热电厂投运,其容量为（270t/h。
经过一年多的调整、完善改造和试运行,显示了该技术的良好特性,既符合环境保护要求又具有很高的经济性,被称为“清洁燃烧”的高新技术。
美国ABB-CE公司引进Lurgi
技术制
图燃煤循环床锅炉系统的流程图
图1-2高温绝热旋风分离器的筒体结构造的两台160MWe循环流化床锅炉机组安装于美国德克萨斯大林州Waco电厂,分别于1990年9月和1991年10月正式投入运行。
芬兰奥斯龙公司是世界上循环流化床锅炉最大供应商,市场份额达40%左右。
目前世界上已经投入商业运行的最大的循环流化床锅炉是法国的普理旺斯电站,为250MWe,由Stein公司制造。
主循环回路是循环流化床锅炉的关键,其主要作用是将大量的高温固体物料从气流中分离出来,送回燃烧室,以维持燃烧室的稳定的流态化状态,保证燃料和脱硫剂多次循环、反复燃烧和反应,以提高燃烧效率和脱硫效率。
主循环回路不仅直接影响整个循环流化床锅炉的总体设计、系统布置,而且与其运行性能有直接关系。
分离器是主循环回路的主要部件,因而人们通常把分离器的形式、工作状态作为循环流化床锅炉的标志。
一经典的绝热旋风分离循环流化床燃烧技术
德国Lurgi公司较早地开发出了采用保
温、耐火及防磨材料砌装成筒身的高温绝热
式旋风分离器的循环流化床锅炉。
分离器入
口烟温在850℃左右。
Lurgi公司、Ahlstrom
公司、以及由其技术转移的Stein、ABB-CE、
AEE、EVT等设计制造的循环流化床锅炉均采
用了此种形式。
这种分离器具有相当好的分
离性能,使用这种分离器的循环流化床锅炉
具有较高的性能。
据统计,目前国际上有78%
的循环流化床锅炉采用了高温绝热旋风分离
器,但这种分离器也存在一些问题,主要是
旋风筒体积庞大,因而钢耗较高,锅炉造价高,占地较大,旋风筒内衬厚、耐火材料及砌筑要求高、用量大、费用高,;启动时间长、运行中易出现故障;密封和膨胀系统复杂;尤其是在燃用挥发份较低或活性较差的强后燃性煤种时,旋风筒内的燃烧导致分离下的物料温度上升。
但这种技术的成熟程度比较高,积累了大量的经验。
Circofluid的中温分离技术在一定程度上缓解了高温旋风筒的问题。
炉膛上部布置较多数量的受热面,降低了旋风筒入口烟气温度和体积,旋风筒的体积和重量有所减小,因此相当程度上克服了绝热旋风筒技术的缺陷,使其运行可靠性提高。
该技术炉膛出口的烟气温度较低,炉膛上部需要布置大量的受热面以降低炉膛出口烟气温度,需要采用塔式布置,炉膛比较高,钢耗量大,锅炉造价提高。
二进化的冷却型旋风分离循环流化床燃烧技术
为保持绝热旋风筒循环流化床锅炉的优点,同时有效地克服该炉型的缺陷,
图1-3水（汽冷旋风分离器筒体结构
FosterWheeler公司设计出了堪称典范的水（汽冷旋风分离器,其结构见图1-3。
该分离器外壳由水冷或汽冷管弯制、焊装而成,取消绝热旋风筒的高温绝热层,代之以受热面制成的曲面及其内侧布满销钉涂一层较薄厚度的高温耐磨浇注料。
壳外侧覆以一定厚度的保温层,内侧只敷设一薄层防磨材料,见图1-4。
水（汽冷旋风筒可吸收一部分热量,分离器内物料温度不会上升,甚至略有下降,较好地解决了旋风筒内侧防磨问题。
该公司投运的循环流化床锅炉从未发生回料系统结焦的问题,也未发生旋风筒内磨损问题,充分显了其优越性。
这样,高温绝热型旋风分离循环床的优点得以继续发挥,缺点则基本被克服。
当然,任何一种设计都难以尽善尽美,水（汽冷旋风分离器的问题是生产工艺复杂,制造成本较高。
三快速发展的紧凑型循环流化床燃烧技术
为克服汽冷旋风筒制造成本高的问题,芬兰Ahlstrom公司创造性地提出了PyroflowCompact设计构想。
PyroflowCompact循环流化床锅炉采用其独特专利技术的方形分离器,分离器的分离机理与圆形旋风筒本质上无差别,壳体仍采用FW式水（汽冷管壁式,但因筒体为平面结构而别具一格。
这就是第三代循环流化床锅炉。
它与常规循环流化床锅炉的最大区别是采用了方形的气固分离装置,分离器的壁面作为炉膛壁面水循环系统的一部分,因此与炉膛之间免除
热膨胀节。
同时方形分离器可紧贴炉膛布置从而使整个循环流化床锅炉的体积大为减少,布置显得十分紧凑。
此外,为防止磨损,方形分离器水冷表面敷设了一层薄的耐火层,这使得分离器起到传热表面的作用,并使锅炉启动和冷却速率加快。
图1-5是Pyroflow紧凑型分离器示意图。
图1-4水（汽冷旋风筒耐火材料示意图
水冷或汽冷的方形旋风分离器与不冷却
的钢板卷成的旋风筒制造成本基本相当,考
虑到前者所节省的大量的保温和耐火材料,
最终的实际成本有所下降。
此外它还减少了
散热损失,提高了锅炉效率。
再则由于保温
厚度的减少,可以提高启停速度,启停过程
中床料的温升速率不再取决于耐火材料,而
主要取决于水循环的安全性,使得启停时间大大缩短。
Ahlstrom公司的方形分离器紧凑型设计推出之后,立即引起了广泛的重视。
7年多的运行表明,该技术具有明显的优势和发展前景。
采用方形分离器技术的紧凑型循环流化床锅炉已有68t/h至410t/h多台运行均比较成功,采用方形分离器的紧凑型布置循环流化床锅炉的市场份额逐年增加。
第五节循环流化床燃烧技术的发展前景
各循环流化床锅炉制造厂家和研究机构都十分重视循环流化床锅炉的大型化。
目前300MW等级循环流化床锅炉已经有几个示范工程。
大容量亚临界循环床自然循环锅炉技术已趋于成熟,蒸汽参数为MPa的300MW循环床自然循环锅炉现已投入运行,600MWe循环床锅炉的设计现已不成问题。
常压循环流化床（循环流化床锅炉燃烧技术是已经为国际上公认的商业化程度最好的洁净煤技术。
然而其高效供电方面还没有在根本上提高,其燃烧效率和锅炉热效率仅仅与煤粉燃烧相近,在达到较高的供电效率方面并未具有明显的优越性,在高效方面没有进步,因此提高蒸汽参数以提高供电效率是在大型化的主要方向。
80年代末期,蒸汽循环的要求使最大的带有过热和单级再热的自然循环锅炉的运行压力提高到了。
从90年代的初期至今,这一运行参数已被证明是可靠的。
资料表明:
、535ºC的高压锅炉电站供电效率为%;、535ºC再热电站供电效率为%;、535/537ºC亚临界锅炉电站供电效率为%;、540/560ºC超临界锅炉电站供电效率为%,主蒸汽压力对供电效率有明显影响。
大型电厂普遍采用的煤粉燃烧锅炉即是沿着低压→高压→再热→亚临界→超临界这一条路发展起来。
由于循环流化床锅炉的低温燃烧,炉膛中的热流比传统炉膛低很多,这就使超临界直流循环流化床锅炉可以在相对低的质量流速和相对高的工质温度条件下工作。
循环流化床锅炉与煤粉炉适于采用超临界的几大优势使得循环流化床锅炉比煤粉炉更适合采用超临界参数。
在循环流化床锅炉中,炉膛是唯一的蒸发器,图Pyroflow紧凑型分离器示意图
没有水平管簇。
炉膛的固有特点决定了它在超临界滑压运行中的显著优势。
循环流化床锅炉燃烧室的传热系数和温压较低,亦即低热流。
对于同样的负荷,循环流化床锅炉的炉膛截面积接近于煤粉炉,但单位受热面积上的传热量较小。
平均炉膛设计面积上的较低热量输入（NHI/PA导致了低的热流。
循环流化床锅炉和煤粉炉的平均NHI/PA分别为×106W/m2和×106W/m2。
总的来说,循环流化床炉膛中的热流率要比煤粉炉中的低得多。
由于流化床中气固两相流动对受热面的冲刷,使得水冷壁的粘污系数较小,沉积物非常少并且比较均匀,炉墙清洁。
水冷壁发生传热恶化的情况大幅减少。
循环流化床燃烧室中热流横向分布比较均匀,纵向上部比下部低,下部较高部位被耐火材料覆盖。
最高热流出现在底部并随着炉高增加而逐渐减小,而工质温度恰恰相反。
因此,最冷的工质恰好在最高热流处。
这种特性使水冷壁面不至于超温,在循环流化床锅炉中发生传热恶化的几率比煤粉炉小得多。
循环流化床锅炉的负荷调节范围广。
目前我国电网的峰谷差已达36%以上,今后还会进一步增加,再考虑到今后建设的原子能电站适合带基本负荷,因此要求新建的火电机组的负荷变化范围相对较大,从而要求火电机组必须具有高的经济性和可靠性以及优良的负荷适应性和燃料适应性。
循环流化床锅炉投资和运行费用适中。
循环流化床锅炉的投资和运行费用略高于常规煤粉炉,但比配脱硫装置的煤粉炉低15%~20%。
循环流化床锅炉加石灰石在炉内脱硫即可达到SOx国家排放标准,而煤粉炉要想达到国家SOx排放标准还需加装脱硫设备,使供电煤耗增加。
NOX的排放:
在煤粉炉中,火焰温度比较高,导致NO
X
的排放相对较高。
即使
采用性能比较好的低NOX燃烧器,NO
X
的排放要低于300ppm是比较困难的。
由于
循环流化床锅炉采用低温燃烧和分机送风,其NO
X
的排放较小,一般为200ppm以下。
超临界蒸汽循环可以提高热效率、减少排放、减少泵的电耗。
循环流化床技术具有燃料的灵活性、低的排放、高的可靠性和成熟的设计特性等优点。
超临界循环流化床锅炉便是结合二者的优势。
它们的结合从理论上说技术难度不大。
因此超临界循环流化床锅炉成为国际上的研究热点问题之一。
随着循环流化床大型化的发展和250MW再热循环流化床的顺利运行,国际上多家循环流化床发展商均展开了超临界循环流化床的研究。
原则上,循环流化床及超临界均是成熟技术,二者的结合相对技术风险不大,并且结合后生产的技术综合了循环流化床低成本污染控制及高供电效率两个优势,因此,其商业前途十分光明。
许多公司研究的共同结论是:
（1超临界循环流化床在国外燃料价格、材料成本、制造水平上,具有巨大的商业潜力,是一个异军突起的新方案。
（2超临界循环流化床技术实现难度低于超临界煤粉炉,由于燃烧室内热负荷低,有可能以相对简单的本生炉垂直管方案构成燃烧室受热面,而且,低质量流率带来的低阻力降可能使其在低负荷亚临界区具有自然循环性质。
目前国外有三家公司正在开发超临界循环流化床技术:
FosterWheeler公司、Stein公司的CFBB和ABB公司。
第六节我国循环流化床燃烧技术的发展
我国在循环床燃煤技术发展方面进展较快,1996年在四川内江引进投运的410t/hCFB电站锅炉标志着中国电力生产的主体接受并介入CFB技术;1995年东方锅炉厂生产的3台50MW220t/h流化床电站锅炉在巴基斯坦拉克拉投入运行,对国内循环流化床技术的发展具有积极意义。
新乡火电厂440t/hCFB锅炉,由哈尔滨锅炉厂引进技术制造,是国内第一台超高压一次再热循环流化床锅炉,已在2002年底试运。
目前,国家正在大力推广循环流化床技术。
100MW循环流化床的辅机国产化,引进300MW循环流化床锅炉,直接参与开发,尽快形成300MW循环流化床锅炉机组装备能力。
国家经贸委正在对热电联产机组推行循环流化床技术,煤炭部已在全国150多个煤矿推广循环流化床技术,原电力工业部1997年11月24日在京发布了300MW循环流化床征询合作方案,建议四川白马300MW循环流化床示范电站。
300MW循环流化床电站锅炉已在东方锅炉厂设计制造。
国内的运行调整技术已趋成熟。
循环流化床的商业运行技术一直是人们关心的主题,国产循环流化床运行水平不高的原因,除了对循环流化床技术了解不多等因素之外,还由于循环流化床多是非电力专业生产企业运营的,对运行技术缺乏研究。
随近些年电站循环流化床锅炉快速发展,使国内加深了对循环流化床运行技术的认识。
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